Шпаргалка по "Цифровому устройству"

ВОПРОС 1.Одной из наиболее увлекательных и полезных областей применения электроники является сбор и обработка информации об эксперименте. Существует ряд наук, основанных на опыте и неспособных обойтись без него. Одна из таких наук – физика. Сигналы должны быть представлены в цифровом виде.Преобразование сигнала из аналоговой в цифровую форму осуществляется с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Получаемый цифровой сигнал вводится в управляющую ЭВМ или микроконтроллер с помощью портов ввода, обрабатывается, и выводится с использованием портов вывода.  Обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый осуществляется с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Совокупность перечисленных элементов (датчик – АЦП – ЭВМ – ЦАП – исполнительное устройство) в различных комбинациях позволяет создавать системы управления широкого применения, использующиеся и для автоматизации научных исследований.

Что нужно для автоматизированного эксперимента?

-Экспериментальная установка. Но непростая, а оснащенная датчиками, измерительными устройствами для дистанционных измерений и если необходимо, исполнительными устройствами для дистанционного управления.

-Аппаратура. Измерительная и управляющая. Какие будут применяться приборы — зависит от выполняемого эксперимента

-Линии связи экспериментальной установки с аппаратурой. По ним передаются измерительные и управляющие сигналы.

-ЭВМ.

-Интерфейс. Это средство связи ЭВМ с аппаратурой. По интерфейсу осуществляется прием/передача данных и команд.

-Методика проведения автоматизированного эксперимента. Обязательно учитывает увеличение скорости сбора данных и объема данных, ориентируется на новые методы анализа данных.

-Программа на ЭВМ.

Обычно автоматизируются только два этапа эксперимента.

Этап 1.Процесс эксперимента (полного объема данных еще нет). I Управление приборами. Сбор данных. Простевшая первичная обработка данных. Запись  данных на магнитный носитель для последующей обработки. Этап 2. Вторичная обработка данных (объем данных уже полный). 1 Выработка математических моделей. Описание опытных данных формулами. Создание базы данных. Использование данных в разработке теоретических моделей изучаемого процесса. 
ВОПРОС 2

Обычно автоматизируются только два этапа эксперимента.

Этап 1. 
Процесс эксперимента (полного объема данных еще нет). I Управление приборами. Сбор данных. Простевшая первичная обработка данных. Запись  данных на магнитный носитель для последующей обработки

Здесь от ЭВМ  требуется только способность управлять  приборами в реальном времени. Но объем памяти и быстродействие для большинства экспериментов на этом этапе не критичны. Продуктивная активность ЭВМ сводится к посылке на прибор команды запуска процесса измерения, ожиданию готовности данных и. наконец, к приему от прибора уже готовых данных

Этап 2. 
Вторичная обработка данных (объем данных уже полный). 1 Выработка математических моделей. Описание опытных данных формулами. Создание базы данных. Использование данных в разработке теоретических моделей изучаемого процесса. 
Здесь от ЭВМ уже не требуется способность управлять приборами. Однако появляется необходимость в высоком быстродействии и достаточном объеме памяти. 
Если на обоих этапах использовать одну ЭВМ, то мы наверняка встретимся с противоречивой ситуацией. Если ЭВМ мощная, то на этапе выполнения эксперимента она будет фактически простаивать. Если же ЭВМ слабая, то трудно будет выполнить серьезную вторичную обработку данных.ТАКИМ ОБРАЗОМ, ДЛЯ ЭВМ ОПТИМАЛЬНОЙ СС ПО ЗАТРАТАМ ОБОРУДОВАНИЯ ЯВЛЯЕТСЯ ТРОИЧНАЯ, А ЗАТЕМ, ЧУТЬ ХУЖЕ, ДВОИЧНАЯ. УЧИТЫВАЯ ТО, ЧТО МНОГИЕ АЛГОРИТМЫ АРИФМЕТИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ В ДВОИЧНОЙ СС ВЫПОЛНЯЮТСЯ ПРОЩЕ, ЧЕМ В ТРОИЧНОЙ, И НАМНОГО БЫСТРЕЕ И УДОБНЕЙ ЗАПОМИНАТЬ И ПЕРЕДАВАТЬ ЦИФРЫ 1,0 (ВКЛЮЧЕНО, ВЫКЛЮЧЕНО), ВСЯ ИНФОРМАЦИЯ В ЭВМ КОДИРУЕТСЯ, ПРЕОБРАЗУЕТСЯ И ЗАПОМИНАЕТСЯ В ДВОИЧНОЙ СС. КРОМЕ ДВОИЧНОЙ СС ИЗ-ЗА КРАТНОСТИ ОСНОВАНИЙ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ ТАКЖЕ ВОСЬМЕРИЧНАЯ И ШЕСТНАДЦАТЕРИЧНАЯ СС, ЦИФРЫ И СИМВОЛЫ КОТОРЫХ КОДИРУЮТСЯ ДВОИЧНЫМИ ЭКВИВАЛЕНТАМИ. 

ВОПРОС 3

Алгебра логики оценивает высказывания. Под высказыванием  понимают любое утверждение, в отношении которого имеет смысл утверждать, истинно оно или ложно. Высказывания могут быть простыми и сложными (простыми - если они содержат одну простую законченную мысль, сложными - если образованы из двух или более простых высказываний). Простые высказывания называют логическими переменными, а сложные - логическими функциями этих переменных.

Считают, что  высказывание равно 1, если оно истинно, и равно 0, если оно ложно. Два высказывания называют эквивалентными, если их значения истинности одинаковы.

Образование сложных высказываний из простых высказываний А, В, С,... осуществляется посредством основных логических операций (связей) НЕ, ИЛИ, И. Схемы, реализующие логические операции, называются логическими элементами.

 Элементарные логические операции

-Конъюнкция (логическое умножение, операция И, AND).Для записи используется:

-Дизъюнкция (логическое сложение, операция ИЛИ, OR)

-Инверсия (отрицание, операция НЕ, NOT

Минимальный базис:

-Элемент И-НЕ реализует функцию двух переменных

-Элемент ИЛИ-НЕ реализует функцию:

ВОПРОС 5

Имея элементы, осуществляющие элементарные операции, можно выполнить любую сложную  логическую операцию. Такую систему  функций можно назвать полной системой или базисом.

Последовательно исключая из базиса функции, можно получить так называемый минимальный базис. Под минимальным базисом понимают такой набор функций, исключение из которого любой функции превращает полную систему в неполную.

С помощью логических операций И, ИЛИ, НЕ можно выразить любую другую из элементарных функций. Следовательно, эта совокупность логических функций образует базис. Это означает, что любая логическая функция, как бы сложна она ни была, может быть представлена через логические операции И, ИЛИ, НЕ. Иначе, можно построить любое логическое устройство, имея лишь три типа логических элементов, выполняющих операции И, ИЛИ, НЕ.

Базис И, ИЛИ, НЕ не является минимальным. Из этой совокупности функций можно исключить функцию И либо функцию ИЛИ и оставшийся набор будет удовлетворять свойствам базиса. Действительно, если исключить функцию И, то операцию И можно выразить через оставшиеся ИЛИ и НЕ, но это сложно, поэтому на практике используется не минимальный базис, включающий все три функции И, ИЛИ, НЕ.

Используются  некоторые другие базисы. При этом выбранный набор логических функций будет удовлетворять свойствам базиса, если с помощью этого набора функций окажется возможным выразить функции И и НЕ (либо функции ИЛИ и НЕ).

• Базис образует функция Шеффера (И-НЕ) (рис. 2а). Элементов одного типа, реализующих функцию И-НЕ, достаточно для построения логического устройства произвольной сложности.
• Базис образует функция Вебба (ИЛИ-НЕ) (рис. 2б). Используя однотипные элементы, реализующие операцию ИЛИ-НЕ, можно построить логическое устройство произвольной сложности.
• В настоящее время базис И, ИЛИ, НЕ обычно используется при начальной стадии проектирования устройств для построения функциональной схемы. Для реализации устройств обычно используются базисы И-НЕ либо ИЛИ-НЕ. Элементы этого базиса широко выпускаются промышленностью в интегральном исполнении.
• Логические элементы могут быть выполнены на диодах, транзисторах и в интегральном исполнении. Интегральные логические элементы завоевали в последние годы основные позиции в электронном машиностроении. Интегральное исполнение логических схем обеспечивает высокую плотность размещения элементов, что значительно сокращает размеры, массу модулей, повышает их надежность, быстродействие и т. д.
• Наибольшее распространение получили интегральные элементы, построенные на транзисторах и использующие в качестве межкаскадных связей транзисторы (элементы транзисторно-транзисторной логики ТТЛ).
• Основой каждой серии является базовый логический элемент. Как правило, базовые логические элементы выполняют операции И - НЕ либо ИЛИ - НЕ и по принципу построения делятся на следующие основные типы: элементы диодно-транзисторной (ДТЛ), резистивно-транзисторной логики (РТЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), эмиттерно-связанной транзисторной логики (СТЛ), микросхема на так называемых комплиментарных структурах (КМДП или КМОП). Элементы КМДП (КМОП) цифровых микросхем используют пары МДП-транзисторов (со структурой металл-диэлектрик-полупроводник) - с каналами р- и n-типов.
• В радиолюбительской практике наибольшее распространение получили микросхемы ТТЛ серии К155 и КМДП (КМОП) серии К176 и К561.
• Имеется свыше 100 наименований микросхем серии К155. При всех своих преимуществах - высоком быстродействии, обширной номенклатуре, хорошей помехоустойчивости - эти микросхемы обладают большой потребляемой мощностью. Поэтому им на смену выпускают микросхемы серии К555, принципиальное отличие которых - использование транзисторов с коллекторными переходами, зашунтированными диодами Шоттки. В результате транзисторы микросхем серии К555 не входят в насыщение, что существенно уменьшает задержку выключения транзисторов.
• Дальнейшее развитие микросхем серий ТЛЛ - разработка микросхем серии КР1533. Основное эксплуатационное отличие их от схем серии К555 - в 1,5 . . . 2 раза меньше потребляемая мощность при сохранении и повышения быстродействия.

 
 

• В настоящее  время выпускается огромное количество разнообразных цифровых микросхем: от простейших логических элементов  до сложнейших процессоров, микроконтроллеров  и специализированных БИС (Больших  Интегральных Микросхем). Производством цифровых микросхем занимается множество фирм — как у нас в стране, так и за рубежом. Поэтому даже классификация этих микросхем представляет собой довольно трудную задачу.
• Однако в качестве базиса в цифровой схемотехнике принято рассматривать классический набор микросхем малой и средней степени интеграции, в основе которого лежат ТТЛ серии семейства 74, выпускаемые уже несколько десятилетий рядом фирм, например, американской фирмой Texas Instruments (TII). Эти серии включают в себя функционально полный комплект микросхем, используя который, можно создавать самые разные цифровые устройства.
• Рис. 2.5.  Система обозначений фирмы Texas Instruments

Каждая микросхема серий семейства 74 имеет свое обозначение, и система обозначений отечественных серий существенно отличается от принятой за рубежом.

  

• Обозначения отечественных микросхем
• Отечественная система обозначений микросхем отличается от рассмотренной довольно существенно (рис. 2.6). Основные элементы обозначения следующие:
• Буква К обозначает микросхемы широкого применения, для микросхем военного назначения буква отсутствует.

 

• Тип корпуса  микросхемы (один символ) — может  отсутствовать. Например, Р — пластмассовый корпус, М — керамический, Б — бескорпусная микросхема.
• Номер серии микросхем (от трех до четырех цифр).
• Функция микросхемы (две буквы).
• Номер микросхемы (от одной до трех цифр). Таблица функций и номеров микросхем, а также таблица их соответствия зарубежным аналогам приведены в приложении.
• Например, КР1533ЛА3, КМ531ИЕ17, КР1554ИР47.
• Главное достоинство отечественной системы обозначений состоит в том, что по обозначению микросхемы можно легко понять ее функцию. Зато в системе обозначений Texas Instruments виден тип серии с его особенностями.

ВОПРОС 6

Триггер - одно из наиболее распространенных импульсных устройств, относящихся к базовым элементам цифровой техники.

Триггером называют устройство, обладающее двумя состояниями  устойчивого равновесия и способное скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием внешнего управляющего сигнала.

Триггер может  использоваться для хранения значения одной логической переменной (или  значения одноразрядного двоичного  числа; при хранении многоразрядных двоичных чисел для запоминания значения каждого разряда числа используется отдельный триггер). В соответствии с этим триггер имеет два состояния: одно из них обозначается как состояние логического 0, другое - состояние логической 1.

Воздействуя на входы триггера, его устанавливают в нужное состояние.

Триггер имеет  два выхода: прямой Q и инверсный . Уровнями напряжения на этих выходах  определяется состояние, в котором  находится триггер, если напряжение на выходе Q соответствует уровню логического  0 (Q = 0), то принимается, что триггер находится в состоянии логического 0. Логический уровень на инверсном выходе  представляет собой инверсию состояния триггера (в состоянии 0  = 1 и наоборот).

• Триггеры имеют различные типы входов. Приведем обозначение и назначение входов триггеров:
• R (от английского RESET) - раздельный вход установки в состояние 0;
• S (от английского SET) - раздельный вход установки в состояние 1;
• К - вход установки универсального триггера в состояние 0;
• J - вход установки универсального триггера в состояние 1;
• Т - счетный вход;
• D - информационный вход установки триггера в состояние, соответствующее логическому уровню на этом входе;
• С - управляющий (синхронизирующий) вход.
• Т - счетный вход;
• D - информационный вход установки триггера в состояние, соответствующее логическому уровню на этом входе;
• С - управляющий (синхронизирующий) вход.

Наименование  триггера определяется типами его входов. Например, RS-триггер, имеющий входы  типов R и S.

По характеру  реакции на входные сигналы триггеры делятся на два типа: асинхронные и синхронные. Асинхронный триггер характеризуется тем, что входные сигналы действуют на состояние триггера непосредственно с момента их подачи на входы, в синхронных триггерах - только при подаче синхронизирующего сигнала на управляющий вход С.